吊江巖水電站重力壩段滲流穩(wěn)定分析開題報告

1、吊江巖水電站重力壩段滲流穩(wěn)定分析學 生：譚 旭指導老師：陸美霞三峽大學科技學院1課題來源本課題吊江巖水電站重力壩段滲流分穩(wěn)定析是由指導老師陸美霞指定的，云南碩多崗河是金沙江左岸的一級支流，吊江巖水電站是該河流規(guī)劃九級中的第四個梯級電站，建設地點位于云南迪慶州香格里拉縣虎跳鎮(zhèn)。該電站為單一發(fā)電工程。吊江巖水電站主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)建筑物組成，水庫正常蓄水位2563.3m，相應庫容100.2萬m3，最大壩高28.0m，電站裝機容量32mw。本電站為?。?）型等工程，永久性主要建筑物級別為4級，次要建筑物為5級，臨時建筑物按5級設計。吊江巖水電站首部樞紐設計洪水重現(xiàn)期為30年，校核洪水重現(xiàn)

2、期為200年，廠房洪水標準按50年一遇設計，100年一遇校核。電站工程區(qū)的地震基本烈度為度。河谷覆蓋層具有結構相對松散、滲透性強、巖性不均勻等特點，大壩建成擋水后，在上下游水位差的作用下閘基及兩岸土體內(nèi)將會產(chǎn)生滲流，滲透破壞將嚴重危害閘壩的安全，壩基防滲問題成為閘壩安危的關鍵問題，因此通過滲流計算，分析壩基穩(wěn)定性及防滲措施的防滲效果是非常必要的。2目的和意義通過對吊江巖水電站重力壩段滲流分穩(wěn)定析，使自己對壩體滲流的組成、特征、成因及安全監(jiān)測方法等相關知識進行了系統(tǒng)的學習，明白了滲流破壞的作用機理和造成滲流不穩(wěn)定的一些因素以及對軟件的熟練運用，為以后工作打下了堅實的理論基礎。3國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨

3、勢3.1主要文獻、資料名稱主要參閱：楊偉光編輯的閘壩深厚覆蓋層基礎處理研究；王俊華編輯的錦屏二級水電站閘基深厚覆蓋層滲流分析與控制研究；顧曉芳編輯的深厚覆蓋層上水閘滲流分析與防滲結構優(yōu)化設計研究；黃春娥編輯的考慮滲流作用的基坑穩(wěn)定分析；陸麗等編輯深厚覆蓋層閘壩壩基的三維有限元滲流分析；宋玉才，燕喬，趙獻勇，焦家訓等編輯的砂礫石地基垂直防滲；杜延齡，許國安編輯的滲流分析的有限元法和電網(wǎng)絡法；顧慰慈編輯的滲流計算原理及應用；毛昶熙編輯的滲流計算分析與控制；東南大學、浙江大學、湖南大學、蘇州科技學院合編的土力學、武漢大學、袁光裕、胡志根編輯的水利工程施工；水利水電工程初步設計報告編制規(guī)程（dl502

4、1-93）；水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范（gb50287-99）；堤防工程設計規(guī)范(gb 50286-98)；水工建筑物荷載設計規(guī)范(dl 5077-1997)；水工混凝土結構設計規(guī)范(sl/t 191-1996)；水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范(dl/t 5148-2001)；水利水電工程施工組織設計規(guī)范(sl 303-2004)。3.2壩基滲漏3.2.1壩基滲漏的定義壩基滲漏（dam foundation leakage）又稱壩下滲漏，是指水庫蓄水后由于上、下游水頭差，使水庫中水沿壩基巖石的孔隙、裂隙、溶洞、斷層等處向下游的滲漏。多發(fā)生在未進行防滲處理或防滲措施不當之處。壩基滲漏減低了水庫的效

5、益，增大對壩底的揚壓力，還可能引起壩基巖土體潛蝕，導致壩基失穩(wěn)。3.2.2壩基滲漏的原理在大壩上下游水位差作用下，庫水通過壩基巖土中的孔隙、裂隙或溶洞等通道向下游滲漏的現(xiàn)象。沿大壩兩側岸坡巖土中的滲漏稱為繞壩滲漏。當壩基滲漏或繞壩滲漏的水量很大時,不僅會造成庫水的流失，而且對壩基產(chǎn)生滲透壓力，或?qū)r土中的微細顆粒產(chǎn)生沖刷，或?qū)r土中的可溶部分產(chǎn)生化學溶解等不良作用。為此，修建大壩時要對壩基滲流進行控制，將其不利影響減少到規(guī)定的安全范圍內(nèi)。 根據(jù)巖土透水性質(zhì)的不同，壩基滲漏可分為三種主要類型?？紫缎詽B漏：通過砂礫石孔隙產(chǎn)生的滲漏，一般呈均勻流，滲漏量的大小主要取決于土的粒度成分及其滲透系數(shù)。裂隙

6、性滲漏：通過巖石中節(jié)理裂隙產(chǎn)生的滲漏。當裂隙很多且互相切割時，滲流近似均勻流；當裂隙發(fā)育不均一或不規(guī)則時，滲流常呈脈狀流。管道式滲漏：通過石灰?guī)r、白云巖等可溶巖中的溶洞產(chǎn)生的滲漏，滲漏量的大小取決于溶洞的大小和多少。這三種類型在壩基中可以在不同部位同時存在，也可以單獨出現(xiàn)，主要取決于壩基的巖土分布和地質(zhì)結構條件。 控制壩基滲漏的方法很多。為減少壩基滲漏量，可以采用上游水平鋪蓋、垂直混凝土防滲墻、帷幕灌漿及堵塞溶洞等措施；為減小揚壓力或滲流梯度，通常采用排水孔、排水廊道、減壓井等工程措施。根據(jù)壩基地質(zhì)條件和滲漏量情況選取上述方法中的一種或幾種，上堵下排，就會獲得良好的防滲效果。3.2.3壩基滲漏

7、的處理方式由于水庫庫區(qū)滲漏，水庫無法正常蓄水，不僅無法完成原設計任務，而壩體存在漏水通道，同樣危及壩體的安全。因此，在對新建水利工程進行設計時，必須結合地形地質(zhì)條件，進行庫區(qū)的防滲設計；對既有水利工程，當庫區(qū)存在滲漏問題時，必須采取相應的措施進行整治。目前，工程上采用的防滲處理措施主要有以下幾種：（1）柔氈鋪蓋防滲。對大面積滲漏而無集中滲漏通道的庫壩區(qū)，且坡度在24以下的大壩和左、右壩肩，或有集中滲水通道又有面上滲漏的庫壩區(qū)，只要對集中滲漏通道先作處理（如開挖回填混凝土塞或自流灌水泥漿、水泥砂漿等封堵），均適宜用柔氈鋪蓋防滲，但使用柔氈鋪蓋防滲的關鍵是接頭一定要搭接好，周邊固埋措施要得當，并且

8、最好是用混凝土截水墻截到隔水巖層或不透水部位上。（2）混凝土鋪蓋防滲。這種措施適宜覆土較薄、坡度在24 45之間的巖石基面的岸坡滲漏區(qū)，其關鍵是要根據(jù)所受水頭選好混凝土標號、鋪蓋的厚度和確定水灰比。施工時，應打掉基巖面的尖角，清除面上的泥垢、油污等雜質(zhì)和強風化的破碎巖石，用水清洗后（最好使用高壓水沖洗）墊上23cm厚的水泥砂漿，然后澆筑混凝土?；炷翝仓駬v密實，養(yǎng)護21d。對大面積的混凝土防滲鋪蓋要作分塊處理，每塊尺寸以1m5m為宜。塊間分縫處作好止水處理。防滲鋪蓋的范圍應處理至不滲水巖層或與其它防滲措施聯(lián)合處理至不透水部位，共同組成防滲體。（3）水泥砂漿砌塊石溝縫防滲。這種方法適宜庫岸坡

9、度較陡（45以上）、基面為巖面目-覆土不厚的庫岸坡和水頭較低的壩體迎水坡面防滲。這種方法的關鍵是控制施工質(zhì)量。施工時，先將巖基面的泥垢、油污等清除干凈，排除積水，然后先在巖面墊上一層35cm的水泥砂漿才砌筑。防滲砌體厚度根據(jù)水頭選定，不低于1/20水頭且不小于30cm厚。砌體要求平整、穩(wěn)定、密實，座漿及豎縫砂漿填塞要飽滿密實，豎縫填塞砂漿應插搗至表面泛漿為止，勾縫水泥砂漿采用42.5號以上的水泥?；疑氨葹?/11/2，勾縫前必須漿縫槽沖洗干凈，不得殘留灰碴和積水，勾縫完成后養(yǎng)護21天。（4）對溶洞要進行水泥灌漿和水泥沖砂灌。對于有集中通道和溶洞的庫壩區(qū)滲漏，應先對集中漏水通道水泥灌漿和水泥漿沖

10、灌，其關鍵是確定水灰比、灌漿壓力、灌漿間歇時間和沖砂的數(shù)量，灌漿壓力應為水頭的1.5倍左右，水灰比應選擇幾種不同的比例交替灌。間歇時間根據(jù)氣候和水泥的初凝時間確定，如長期不能灌滿則應加砂灌。（5）混凝土截水墻。對未設壩前防滲鋪蓋的壩體及左右岸坡，由于清除現(xiàn)有淤泥工程量多，投資大，有的因庫水不能放干而無法清除，故只有設置混凝土截水墻或其它防滲帷幕?；炷两厮畨氐讲煌杆畮r層上，或截到不透水部位，與其它防滲體連接起來。（6）防滲帷幕灌漿。這種措施適肩壩基和壩肩的深部漏水防滲。其技術主要是確定孔深、孔距、布孔方式、布孔排數(shù)和選好漿液的配合比，確定灌漿壓力。3.3滲流穩(wěn)定分析在國內(nèi)外的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

11、3.3.1國內(nèi)外滲流計算研究的發(fā)展現(xiàn)狀法國工程師達西（h.dracy），在1986年通過試驗研究提出了線性滲透定律，為滲流理論的發(fā)展莫定了基礎。達西的試驗是通過液體在均質(zhì)沙土中作勻速流動的情況下進行的。這個研究結果已被后來的學者逐漸推廣至整個滲流計算領域中去，達西定律成為滲流分析計算中最基本、最重要的公式，它解決了土體的基本滲透計算理論。達西定律研究得出的公式是對均勻滲流平面上計算平均流速以及滲流區(qū)域內(nèi)任意一點的滲流流速。1857年，法國學者杜比推導出杜比公式來研究非均勻漸變滲流分析的規(guī)律。1889年，h.e茹可夫斯基研究發(fā)現(xiàn)土體中滲流規(guī)律分析計算過程符合拉普拉斯方程，首次推導出了滲流的微分方

12、程。但是，相對于許多數(shù)學模型和解析解的研究只能適用于均勻的滲透介質(zhì)和邊界比較簡單的條件基礎上，因此在實際工程的運用中就要受到一定限制。1914年，p. forehheiness提出利用繪制流網(wǎng)的方法進行圖解滲流試算。流網(wǎng)針對分析整個滲流場這個二維平面問題給出了比較可靠全面的圖案。繪制出了流網(wǎng)，整個滲流場問題就會得到解決。直到1922年，為解決邊界條件和滲流條件比較復雜的滲流問題，h巴甫洛夫斯基研究出了一個有效的求解滲流場的工具電擬法。所謂電擬法，就是采用電導液模型進行滲流模擬試驗，但仍有一些弊端就是無法對非均質(zhì)各向異性滲透介質(zhì)的滲流進行模擬實驗，當遇到一些比較復雜的地質(zhì)和復雜的邊界條件時就是去

13、了適用性。后來為了對滲流有進一步的研究和提高，針對電擬法改進而形成了電網(wǎng)絡法。近年來，在計算機電子技術日新月異發(fā)展的基礎上，很多滲流計算方法也隨之出現(xiàn)。其中典型的數(shù)值模擬方法有邊界元法、有限差分法、有限單元法三種，而且以圍繞這三種方法為主的研究大壩壩體滲流分析計算在國內(nèi)得到了迅速發(fā)展。邊界元法是在貝蒂互換定理經(jīng)典力學理論及弗雷德霍姆積分方程基礎上建立起來的，該方法提出于20世紀九十年代末、21世紀初。邊界元法的基礎理論形成的相對較晚大約在六十年代末。邊界元法在最初被稱為邊界積分儀法。邊界元法這個名詞直到1978年才得到滲流研究領域的認可。有限差分法是1910年理查德森提出來的，該方法由于在滲流

14、分析研究中的長期應用已具有一定的研究基礎。目前，有限差分法的理論和和研究經(jīng)驗已在滲流研究領域有了廣泛的推廣。1960年，克勞夫為了區(qū)別有限差分法，而最早提出并采用“有限單元法”這個名詞。而在1965年，由于研究后發(fā)現(xiàn)有限單元法具有可以適用很多以變分進行的的滲流場計算的研究分析問題使該種方法在滲流領域的發(fā)展有向前邁進了一步，而且其成果也十分的顯著有效。隨著水能源的大力開發(fā)，為了使水利工程更好的服務于人類，在相關壩體滲流的研究和應用在國內(nèi)外對都引起了高度重視，特別是在土石壩的滲流研究領域，各國學者和專家一直在致力于對壩體滲流機理的探索。達西定律作為滲流理論最基本的理論基礎以及滲透系數(shù)的提出就為在水

15、頭作用下會產(chǎn)生滲流水量的函數(shù)關系提供了強大的應用基礎。在對水工模型進行數(shù)值模擬的基礎上利用有限單元法對壩體非飽和區(qū)域的滲流狀況進行了實驗。研究表明數(shù)值模擬能夠?qū)σ恍碗s的邊界條件計算并具有較高的精度。隨著滲流理論的逐步發(fā)展自適應理論在滲流分析計算中也得到了較為廣泛的推廣，并將在二維非線性的滲流分析中吸收了線性誤差估計的方法。這種自適應理論在無壓滲流分析方面也進行了驗證分析。通過劃分單元網(wǎng)格的方法，在滲流分析過程中讓單元自己根據(jù)滲流場的變化去適應，這樣就會大大提高其計算進度和效率。隨著現(xiàn)代計算機技術的高度發(fā)展和應用，有限元法也得到了迅速發(fā)展。近幾年來，國內(nèi)外眾多水利研究專家和水利水電工程技術人員

16、在從事水利樞紐工程研究和建設過程中，從滲流的基本理論出發(fā)，充分利用現(xiàn)代計算機技術的基礎上結合實踐都深入的就滲流方面做了探究。在解決滲流場的研究計算方面對有限元法的應用有了相對較大的進展，有限單元可以對一些簡單的壩體滲流狀況作出合理的分析。但是水工建筑物作為一種實際的工程結構以及所處環(huán)境條件十分復雜，要尋找一種簡單、可靠、適用以及能對多種復雜邊界條件的滲流問題以上研究方法還有待實踐的驗證。本文在研究堆石面板壩的壩體滲流曲線方面做了簡單的嘗試。3.3.2目前國內(nèi)外滲流計算方法的發(fā)展現(xiàn)狀常用的滲流計算方法:(一)理論分析法。（1）解析法中水力學法和流體力學法是理論分析法的兩大類。水力學法，它是一種比

17、較簡單的滲流分析方法，主要針對一些滲流條件比較簡單的分析計算，由于計算分析過程簡練，因此在一些壩體材料和結構較為單一的滲流問題普遍運用水力學法。眾所周知，壩體的滲流計算需要求解許多的滲流要素，而水力學法不能滿足這一要求只能求解壩體某一界面滲流要素的平均值，但當細化到每一個具體的點時就會出現(xiàn)制約，再加上水力學法求解的前提是對在滲流場假定的基礎上的，可能會與現(xiàn)實的情況有一定的差距，而正是各種誤差的累積導致我們得出的結果精度不高。為了解決水力學法中的不足，通常會用流體力學的方法加上一些實驗取得的結果對采用水力學法所得值進行修正，這種方法在一定程度上會提高計算精度。這種方法的原理是基于流體力學在應對邊

18、界條件復雜基礎上對反滲流分析研究的能夠較大提高計算結果精度建立起來的。在滲流問題的計算中對任意一點的各個滲流要素和任一截面處的滲流要素如水頭、壓力、流速等等。由于要利用實驗所得結果和流體力學法同時對水力學所得結果修正，這就會使問題求解變的比較復雜，而且其對滲流邊界的研究還不能滿足壩體滲流區(qū)域復雜的情況。 (2)數(shù)值方法。邊界元法、有限單元法和差分法是目前最常用的三種數(shù)值方法。邊界元法：首先將滲流區(qū)域復雜邊界通過單元劃分的方法離散為能適應復雜邊界的子域，然后通過區(qū)域積分形成積分方程，最后再化為線性求解方程進行計算。邊界元法相對于有限元法而言具有以下優(yōu)點：便于對半無限或無限滲透介質(zhì)的處理、滲流奇異

19、和自由面等問題。一般說其計算精度也高于有限單元法。邊界元法的缺點：當面對三維非均質(zhì)各向異性的滲透介質(zhì)問題時，在應用方面尚存在相當大的困難。有限單元法：它歸納總結了對古典近似計算方法，既吸收了變分計算中選擇試探函數(shù)的內(nèi)核，又繼承了有限差分法中離散處理的精髓，并對分析區(qū)域進行積分，這一過程是對每個子單元對整個區(qū)域影響的直接表達。相對于邊界元法該法在面對復雜的滲流邊界時更好的模擬滲流曲線以及對非均質(zhì)的壩體滲流方面都體現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性。差分法：在滲流研究中差分法的基本思想是進行區(qū)域離散，離散的各個子域會形成滲流的微分方程。再通過控制方程中的導數(shù)用網(wǎng)格節(jié)點上的函數(shù)值的差商代替進行離散，從而建立以網(wǎng)格節(jié)

20、點水頭值為未知量的方程組。將微分問題轉化為函數(shù)運算問題。但是常常由于差分網(wǎng)格的規(guī)則受到一定的局限；其次，在對各向異性的曲線邊界進行模擬分析時會有一定的困難。(3)圖解法：在一定理論分析和實驗結果的基礎上對所研究滲流區(qū)域進行流網(wǎng)繪制，利用中線法可求得斷面處的滲流流速，也可以根據(jù)繪制的單元網(wǎng)格繪制壩體內(nèi)的各個節(jié)點的滲流等水頭線。（二）試驗分析方法。由于大多數(shù)滲流基本理論是在試驗基礎上總結出的結果，所以采用試驗分析的方法也是滲流計算研究得一種途徑?？p隙水槽法、砂槽模型法、水力積分儀法、粘滯流模型法、電阻網(wǎng)模型法和電擬試驗法?，F(xiàn)只對以下三種實驗分析方法進行簡單介紹。(1)縫隙水槽模型試驗：是指利用兩塊

21、玻璃板或者有機玻璃板做成的水槽模型、然后將其平行地安裝在試驗水槽內(nèi)，并在兩塊模型的板之間保持一定的縫隙寬度。試驗的觀測方法：一般是在玻璃板上頂先畫上方格，然后將不同顏色的液體注入上游的不同高程。這樣能使模型中的滲流線能明顯地顯示出來，便于觀側。通常在槽中注入的是純甘油。(2)砂槽試驗：砂槽試驗利用砂或者砂性土做模型，將模型的上下游水位保持與實際建筑物上下游水位相對應的時，在上下游水位水頭差的作用下產(chǎn)生與實際相當?shù)臐B流，并且形成自由滲流的水面曲線。通過量測設備量測出水面線高度。(3)電擬法：是在滲流和電場的控制方程符合同一種形式的基礎上而進行求解的。電網(wǎng)絡和導電液模型是目前電擬法所具有的兩種模型

22、。由于在模型中其材料是各向同性的均勻介質(zhì)，只能對求解一些急變的滲流區(qū)域。目前，在研究滲流問題分析應用中對壩體材料為非均質(zhì)各向異性滲透介質(zhì)的研究較為苦難，尤其在地質(zhì)條件比較復雜的壩址條件下電網(wǎng)絡法也不盡適用，電網(wǎng)絡法在一定程度上優(yōu)化了其它滲流研究的缺陷，其所得結果由于沒有誤差累積，又有一定的穩(wěn)定性，一直以來也視作是一種應用性較強的求解滲流場復雜問題的計算工具。電網(wǎng)絡法的特點：在求解滲流問題的過程中不產(chǎn)生累積誤差以及具有容量、穩(wěn)定性基本不受限制在滲流分析中沿用已久，在求解大型復雜滲流場問題時任是有效的工具。4 設計的主要內(nèi)容及成果形式4.1 主要內(nèi)容（1）回顧覆蓋層上建造閘壩的情況，系統(tǒng)認識覆蓋層上閘壩建設的問題。全面深入了解水閘滲流計算的發(fā)展過程、滲流控制理論及技術措施等。（2）介紹水閘滲流計算的基本理論、方法，著重介紹水閘滲流計算的解析法和有限單元法，為滲流計算提供理論及方法上的依據(jù)。（3）依托吊江巖水電站首部攔河閘壩，應用geo-seep/w程序開展吊江巖水電站重力壩段覆蓋層天然地基二維滲流數(shù)值計算。（4）依托吊江巖水電站首部攔河閘壩，應用geo-seep/w程序開展吊江巖水電站重力壩段覆